不同接觸尺度下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為

崔曉彤，劉金龍，張德坤，陳　凱，亓健偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州221116)

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不同接觸尺度下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為

崔曉彤，劉金龍，張德坤，陳凱，亓健偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州221116)

采用UMT-II型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了不同接觸尺度下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為，并利用有限元模擬方法對(duì)PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：滑動(dòng)過(guò)程中PVA/HA復(fù)合水凝膠的平均摩擦力、平均摩擦因數(shù)及變形深度隨接觸壓頭直徑的增加逐漸減小，而隨著接觸載荷呈逐漸增加的趨勢(shì)；隨著接觸壓頭直徑的增加，液相的承載能力增大，從而平均摩擦力、變形深度減??；隨著接觸載荷的增加，液相流失增加，液相的承載力降低，從而平均摩擦力、變形深度增大。

PVA/HA復(fù)合水凝膠；滑動(dòng)摩擦；有限元；液相承載

隨著社會(huì)的發(fā)展、老年人口的增多，因關(guān)節(jié)軟骨磨損而導(dǎo)致的骨關(guān)節(jié)病、關(guān)節(jié)炎已逐漸成為影響人們健康的主要原因之一[1]，目前臨床上一般采用人工關(guān)節(jié)置換來(lái)治療骨關(guān)節(jié)疾病[2]，以重建關(guān)節(jié)功能。然而，目前所采用的人工關(guān)節(jié)置換材料多為金屬、陶瓷和超高分子聚乙烯等硬質(zhì)材料，而傳統(tǒng)的人工關(guān)節(jié)置換材料由于缺乏潤(rùn)滑易導(dǎo)致較大的磨損，從而造成無(wú)菌性松動(dòng)[3,4]；因此，近年來(lái)，人們開(kāi)始仿照人體關(guān)節(jié)的軟骨結(jié)構(gòu)，將目前使用的人工硬質(zhì)關(guān)節(jié)改進(jìn)為帶有軟墊支撐的新型人工關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)有效潤(rùn)滑，即在人工關(guān)節(jié)表面引入一層薄薄的軟骨，這一領(lǐng)域研究最多的材料是水凝膠。

聚乙烯醇(PVA)水凝膠具有與天然關(guān)節(jié)軟骨類似的物理特性和良好的生物相容性，因此PVA水凝膠被認(rèn)為是一種較理想的人工軟骨植入材料[5-7]。Gonzalez等[8]采用冷凍/解凍法制得聚乙烯醇(PVA)/羥基磷灰石(HA)復(fù)合水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)HA的添加改進(jìn)了水凝膠的物理化學(xué)特性，并提高了水凝膠的力學(xué)性能。Maiolo等[9]利用冷凍/解凍法制備了PVA/HA復(fù)合水凝膠，研究了HA含量(0%，3%，7.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)對(duì)水凝膠摩擦性能的影響，結(jié)果表明HA含量為3%時(shí)PVA/HA復(fù)合水凝膠具有最低的摩擦因數(shù)。張德坤等[10]研究發(fā)現(xiàn)PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦因數(shù)隨著冷凍解凍次數(shù)和HA含量的增加而逐漸降低。Chan等[11]研究了關(guān)節(jié)軟骨不同接觸區(qū)域(包括承載和非承載區(qū)域)的納米摩擦和黏著性能，發(fā)現(xiàn)承載軟骨的黏著性能明顯低于非承載軟骨，結(jié)果表明在接觸條件下，關(guān)節(jié)缺乏液體潤(rùn)滑，承載軟骨位置的邊界潤(rùn)滑劑含量更高，從而通過(guò)將粗糙接觸下的黏著和磨損最小化來(lái)保護(hù)關(guān)節(jié)功能。雖然很多學(xué)者[12-15]對(duì)于PVA水凝膠的制備及力學(xué)性能研究方面開(kāi)展了大量工作，但是人體的關(guān)節(jié)多種多樣，如肩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等，不同關(guān)節(jié)之間的接觸狀況各不相同，并且針對(duì)PVA水凝膠液體承載特性的研究也較少。本工作基于人體中各關(guān)節(jié)之間接觸尺度的差異，探討了在不同接觸尺度(接觸壓頭直徑、接觸載荷)下，PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為及接觸狀況，并結(jié)合有限元模擬方法分析了PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1原材料和試劑

聚乙烯醇(PVA)，型號(hào)為20-99，聚合度2050±70，醇解度99.9%，納米羥基磷灰石的平均粒徑小于20nm。

1.2試樣制備

按一定比例將稱重好的PVA溶于去離子水中，在恒溫水浴箱中于90℃以上加熱4～6h，配制成一定濃度的PVA水溶液，加入一定含量的納米羥基磷灰石粉末強(qiáng)力攪拌，待混合均勻后放置在空氣中靜置脫泡；然后將復(fù)合溶液倒入模具中，在低溫冷凍儲(chǔ)存箱中

于-20℃左右冷凍6～12h成型，之后取出試樣于室溫下解凍2～4h，重復(fù)9次制得PVA/HA復(fù)合水凝膠。實(shí)驗(yàn)選用PVA的含量為15%，HA的含量為3.0%。圖1所示為制備的PVA/HA復(fù)合水凝膠試樣。

圖1　PVA/HA復(fù)合水凝膠試樣Fig.1　The sample of PVA/HA composite hydrogel

1.3水凝膠滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)

在UMT-II型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)，試樣的厚度為2mm。為研究不同接觸壓頭直徑尺度下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為，實(shí)驗(yàn)選用球頭直徑分別為1,2,4,8mm和28mm的金屬接觸壓頭，接觸載荷為6N，滑動(dòng)速率為1mm/s；為研究不同接觸載荷對(duì)PVA/HA復(fù)合水凝膠滑動(dòng)摩擦行為的影響，實(shí)驗(yàn)選用載荷為5,6,7N，采用直徑為4,28mm的接觸壓頭，滑動(dòng)速率為1mm/s，圖2所示為不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦測(cè)試示意圖。

圖2　不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為　(a)平均摩擦力；(b)平均摩擦因數(shù)；(c)最大變形深度Fig.2　Sliding friction behavior of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters(a)average friction force；(b)average friction coefficient；(c)maximum deformation depth

1.4水凝膠滑動(dòng)摩擦有限元模型

根據(jù)水凝膠與接觸壓頭的尺寸，建立壓頭與水凝膠的有限元滑動(dòng)摩擦模型，水凝膠的厚度為2mm，超高分子量聚乙烯的厚度為3mm，壓頭尺寸如1.3節(jié)所示。將壓頭設(shè)為分析鋼體，采用均勻網(wǎng)格劃分方法對(duì)水凝膠劃分網(wǎng)格，水凝膠劃分為800(8×100)個(gè)4節(jié)點(diǎn)雙線性位移、雙線性孔隙壓力縮減積分軸對(duì)稱實(shí)體單元(CAX4RP)，水凝膠基體劃分為400(4×100)個(gè)4節(jié)點(diǎn)雙線性位移縮減積分軸對(duì)稱實(shí)體單元(CAX4R)，得到壓頭與水凝膠的有限元滑行模型。水凝膠滑動(dòng)摩擦模型的邊界條件：水凝膠底面的水平位移、豎直位移、轉(zhuǎn)動(dòng)位移為0，壓頭轉(zhuǎn)動(dòng)位移為0，水凝膠層周邊區(qū)域的孔隙壓力被設(shè)為0[16,17]，選用的載荷、滑動(dòng)摩擦距離、滑動(dòng)速率均與實(shí)驗(yàn)條件相同，材料屬性如表1所示。

表1　PVA/HA復(fù)合水凝膠的材料屬性[18,19]

2　結(jié)果與分析

2.1不同接觸壓頭尺度對(duì)水凝膠滑動(dòng)摩擦行為的影響

圖2(a)，(b)分別示出了法向載荷為6N，滑動(dòng)速率為1mm/s時(shí)，不同接觸壓頭直徑對(duì)PVA/HA復(fù)合水凝膠平均摩擦力以及平均摩擦因數(shù)的影響，結(jié)果表明平均摩擦力和平均摩擦因數(shù)均隨著接觸壓頭直徑的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中，當(dāng)接觸壓頭直徑從1mm增加到28mm時(shí)，平均摩擦力從0.381N降至0.031N，減小了91.86%，平均摩擦因數(shù)從0.049降至0.011，減小了77.55%。這是由于隨著接觸壓頭直徑的增加，壓頭與水凝膠接觸面積增大，接觸應(yīng)力減小，從而降低了滑動(dòng)過(guò)程中壓頭與水凝膠之間的摩擦力，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小；圖2(c)為不同接觸壓頭尺度對(duì)最大變形深度的影響，結(jié)果表明最大變形深度隨著接觸壓頭直徑的增加而降低，其中，當(dāng)接觸壓頭直徑從1mm增加到28mm時(shí)，最大變形深度從0.241mm降至0.045mm，減小了81.33%。這是由于在相同載荷下，接觸壓頭直徑愈大，壓頭與水凝膠接觸面積愈大，接觸應(yīng)力減小，從而使水凝膠發(fā)生變形能力愈弱，使得變形深度愈小。

2.2不同接觸載荷尺度對(duì)水凝膠滑動(dòng)摩擦行為的影響

圖3(a)，(b)所示分別為接觸壓頭直徑4mm和28mm時(shí)相同滑動(dòng)速率下不同接觸載荷對(duì)PVA/HA復(fù)合水凝膠平均摩擦力以及平均摩擦因數(shù)的影響，結(jié)果表明平均摩擦力和平均摩擦因數(shù)均隨著接觸載荷的增加呈增大的趨勢(shì)，其中，當(dāng)載荷從5N增加到7N時(shí)，對(duì)于接觸壓頭直徑為4mm，平均摩擦力從0.077N增加到0.202N，上升了162.33%，平均摩擦因數(shù)從0.015增加到0.043，上升了186.67%；對(duì)于壓頭直徑為28mm，平均摩擦力從0.013N增加到0.079N，上升了507.69%，平均摩擦因數(shù)從0.011增加到0.027，上升了145.45%。這是由于隨著接觸載荷的增加，水凝膠表面單位面積承受的載荷增大，接觸應(yīng)力增加，因此摩擦力、摩擦因數(shù)增大；圖3(c)所示為接觸壓頭直徑4mm和28mm時(shí)不同接觸載荷對(duì)最大變形深度的影響，可以發(fā)現(xiàn)最大變形深度隨接觸載荷的增加而增加，其中，當(dāng)載荷從5N增加到7N時(shí)，對(duì)于接觸壓頭直徑為4mm，最大變形深度由0.135mm增加到0.151mm，上升了11.85%；對(duì)于壓頭直徑為28mm，最大變形深度由0.033mm增加到0.061mm，上升了84.85%。這是由于接觸載荷愈大，接觸界面的接觸應(yīng)力增大，從而變形深度愈大。

圖3　不同接觸載荷下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦行為　(a)平均摩擦力；(b)平均摩擦因數(shù)；(c)最大變形深度Fig.3　Sliding friction behavior of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads　(a)average friction force；(b)average friction coefficient；(c)maximum deformation depth

2.3滑動(dòng)摩擦機(jī)理分析

表2示出了在相同載荷、相同滑動(dòng)速率及不同接觸壓頭直徑作用下，有限元模擬得到的HA含量為3%的PVA/HA復(fù)合水凝膠滑動(dòng)摩擦性能參數(shù)。結(jié)果表明，隨著接觸壓頭直徑的增加，變形深度逐漸減小，其中，當(dāng)接觸壓頭直徑從1mm增加到4mm時(shí)，剪切應(yīng)力從0.079000MPa減小到0.008900MPa，減小了88.73%；當(dāng)接觸壓頭直徑從4mm增加到28mm時(shí)，剪切應(yīng)力從0.008900MPa減小到0.000198MPa，減小了97.78%。圖4示出了模擬得到的不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液相流速圖，結(jié)果表明隨著接觸壓頭直徑的增加，PVA/HA復(fù)合水凝膠的液相流速呈減小的趨勢(shì)。

表2　不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦性能參數(shù)

圖4　不同接觸直徑尺度下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液相流速圖　(a)2mm；(b)4mm；(c)8mm；(d)28mmFig.4　Fluid flow speed of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters　(a)2mm；(b)4mm；(c)8mm；(d)28mm

圖5　不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力Fig.5　The fluid load support ratio and average friction force of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters

圖5示出了不同接觸壓頭直徑下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力。結(jié)果表明，液體承載比隨著接觸壓頭直徑的增加而增大，而平均摩擦力則相反，其中，當(dāng)接觸壓頭直徑從1mm增加到28mm時(shí)，液體承載比從21%增至68%，上升了223.81%，而平均摩擦力從0.381N降到0.031N，減小了91.86%。PVA/HA復(fù)合水凝膠在相同載荷、相同滑動(dòng)速率及不同接觸壓頭直徑作用下，隨著接觸壓頭直徑的增大，壓頭與水凝膠接觸面積增大，液相流速減小，液體流失少，從而導(dǎo)致液相的承載力增加，因此平均摩擦力減小。

表3示出了在相同壓頭直徑、相同滑動(dòng)速率及不同接觸載荷作用下，有限元模擬得到的HA含量為3%的PVA/HA復(fù)合水凝膠滑動(dòng)摩擦性能參數(shù)。結(jié)果表明，隨著接觸載荷的增加，變形深度逐漸增加，實(shí)驗(yàn)變形深度和模擬變形深度的最大相對(duì)誤差為26.95%，其中，當(dāng)載荷從5N增加到7N時(shí)，剪切應(yīng)力從0. 004377MPa增加到0.009272MPa，上升了111.83%。圖6示出了模擬得到的不同接觸載荷下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液相流速圖，結(jié)果表明隨著接觸載荷的增加，PVA/HA復(fù)合水凝膠的液相流速呈增加的趨勢(shì)。

表3　不同接觸載荷下PVA/HA復(fù)合水凝膠的滑動(dòng)摩擦性能參數(shù)

圖6　不同接觸載荷下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液相流速圖　(a)5N；(b)6N；(c)7NFig.6　Fluid flow speed of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads　(a)5N；(b)6N；(c)7N

圖7示出了不同接觸載荷下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力。結(jié)果表明，液體承載比隨著載荷的增加而減小，而平均摩擦力則相反，其中，當(dāng)載荷從5N增加到7N時(shí)，液體承載比從58%降到38%，減小了223.81%，而平均摩擦力從0.077N增加到0.202N，上升了162.33%。PVA/HA復(fù)合水凝膠在相同接觸壓頭直徑、相同滑動(dòng)速率及不同接觸載荷作用下，隨著接觸載荷的增加，水凝膠單位面積所承受的載荷增大，液相流速增加，從而導(dǎo)致液相流失增加，液相的承載能力下降，因此平均摩擦力增大。

圖7　不同接觸載荷下PVA/HA復(fù)合水凝膠的液體承載比和平均摩擦力Fig.7　The fluid load support ratio and average friction force of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads

3　結(jié)論

(1)隨著接觸壓頭直徑的增加，滑動(dòng)過(guò)程中PVA/HA復(fù)合水凝膠的平均摩擦力、平均摩擦因數(shù)及變形深度均呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。

(2)隨著接觸載荷的增加，滑動(dòng)過(guò)程中PVA/HA復(fù)合水凝膠的平均摩擦力、平均摩擦因數(shù)逐漸增加，變形深度也呈逐漸增加的趨勢(shì)。

(3)隨著接觸壓頭直徑的增加，液相流失減少，液相的承載能力增大，從而平均摩擦力、變形深度減??；隨著接觸載荷的增加，液相流失增加，液相的承載能力降低，從而平均摩擦力、變形深度增加。

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Sliding Friction Behavior of PVA/HA Composite Hydrogels Under Different Contacting Scales

CUI Xiao-tong,LIU Jin-long,ZHANG De-kun,CHEN Kai,QI Jian-wei

(School of Materials Science and Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)

UMT-II multi-functional friction and wear tester was used to investigate the sliding friction behavior of polyvinyl alcohol/hydroxyapatite(PVA/HA)composite hydrogel under different contacting scales, and the sliding friction mechanism of PVA/HA composite hydrogel was studied by finite element method (FEM). The results show that in the process of the sliding friction, the average friction, the average friction coefficient and the deformation depth of PVA/HA composite hydrogel decrease gradually with the contacting diameter increasing, and exhibit an increase trend with the contacting load; as the contact diameter increases, the fluid load support increases, then the average friction and deformation depth decrease; as the contact load increases, the loss of the liquid phase increases, then the fluid load support decreases, which causes that the average friction and deformation depth increase.

PVA/HA composite hydrogel;sliding friction;FEM;fluid load support

劉金龍(1962-)，男，教授，博士，主要從事生物摩擦學(xué)的研究，聯(lián)系地址：江蘇省徐州市中國(guó)礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院(221116)，E-mail:liujlong@cumt.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.010

R318.01

A

1001-4381(2016)05-0059-06

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M580487)；清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLTKF12A06)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20130200)

2015-08-14；

2016-03-15